JP4107513B1 - Method for controlling light emission of electronic device - Google Patents
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Abstract
【課題】電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部を備えた電子装置のさらなる長寿命化を実現可能とした電子装置及び電子装置の発光制御方法を提供する。
【解決手段】電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部と、この発光部にパルス状の駆動信号を入力して発光部を断続的に発光させる駆動部とを有する電子装置において、駆動部は、駆動信号のデューティ比を発光部での発光を連続発光と見なせる値とするとともに、駆動信号のパルス幅及び発光部への電子及び正孔の注入量を、発光部に存在する欠陥準位において電子と正孔とが再結合することにより放出される再結合エネルギーで増殖または拡散する欠陥準位に電子と正孔の両方が捕獲されて再結合が生じることのない時間及び電子と正孔の注入量とする。
【選択図】図3An electronic device and a light emission control method for the electronic device that can further extend the life of an electronic device including a light emitting portion that emits light by utilizing recombination of electrons and holes.
An electronic device having a light emitting portion that emits light by utilizing recombination of electrons and holes, and a drive portion that inputs a pulsed drive signal to the light emitting portion to cause the light emitting portion to emit light intermittently. The drive unit sets the duty ratio of the drive signal to a value at which light emission from the light emitting unit can be regarded as continuous light emission, and the light emission unit has the pulse width of the drive signal and the injection amount of electrons and holes into the light emitting unit Time and electrons in which both electrons and holes are trapped in the defect level and propagate or diffuse with the recombination energy released by recombination of electrons and holes at the defect level, and no recombination occurs. And the amount of holes injected.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部を備えた電子装置の発光制御方法に関するものである。
The present invention relates to a light emission control method for an electronic apparatus having a light emitting portion that emits light by utilizing the recombination of electron and holes.
昨今、投光装置や照明装置などの光源として、PN接合領域での電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部を備えた電子装置が用いられることが多くなっている。特に、PN接合を構成するP型半導体層とN型半導体層との間には、量子井戸活性層などの活性層を設けて効果的に発光を生じさせる発光構造を用いた電子装置も知られている。 In recent years, an electronic device having a light emitting portion that emits light by utilizing recombination of electrons and holes in a PN junction region is often used as a light source such as a light projecting device or a lighting device. In particular, an electronic device using a light emitting structure in which an active layer such as a quantum well active layer is provided between a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer constituting a PN junction to effectively emit light is also known. ing.
このような発光部を備えた電子装置では、発光部のPN接合を構成しているN型半導体層側に対してP型半導体層側に正電圧を印加することにより、自由電子及び自由正孔からなるキャリヤを活性層に注入し、活性層において電子と正孔を再結合させることにより発光現象を生じさせている。この発光現象は、P型半導体層側に所定の大きさの正電圧を印加し続ける限り活性層にキャリヤが逐次供給されるので、発光状態が維持されて連続的に発光した状態となっている。 In an electronic device including such a light emitting unit, free electrons and free holes are applied by applying a positive voltage to the P type semiconductor layer side with respect to the N type semiconductor layer side forming the PN junction of the light emitting unit. The carrier made of is injected into the active layer, and the light emission phenomenon is caused by recombining electrons and holes in the active layer. This light emission phenomenon is such that carriers are sequentially supplied to the active layer as long as a positive voltage of a predetermined magnitude is continuously applied to the P-type semiconductor layer side, so that the light emission state is maintained and light is emitted continuously. .
なお、発光部では、正電圧の印加による通電にともなって、N型半導体層やP型半導体層などの半導体層部分の抵抗によるジュール熱が発生し、このジュール熱に起因した熱エネルギーによって半導体層に劣化が生じ、発光部の光出力を低下させていることが知られている。 In the light emitting portion, Joule heat is generated due to resistance of a semiconductor layer portion such as an N-type semiconductor layer or a P-type semiconductor layer with energization by applying a positive voltage, and the semiconductor layer is generated by the thermal energy resulting from the Joule heat. It is known that the light output of the light emitting part is reduced due to deterioration.
さらに、発光部の半導体層部分には、電子や正孔からなるキャリヤを捕獲する欠陥準位があらかじめ存在するとともに、この欠陥準位で電子・正孔再結合による電子と正孔の再結合が生じた際に、この再結合にともなって放出された再結合エネルギーが光エネルギーではなく熱エネルギーとして放出されることにより、ジュール熱に起因した熱エネルギーと融合してキャリヤを捕獲する欠陥準位の増殖または拡散を促進させることとなり、発光部の光出力、すなわち輝度を低下させていることが本発明者らの研究によって明らかとなった。 Furthermore, in the semiconductor layer portion of the light emitting portion, a defect level that captures carriers composed of electrons and holes exists in advance, and electrons and holes are recombined by electron-hole recombination at this defect level. When this occurs, the recombination energy released along with this recombination is released as thermal energy instead of light energy. It has been clarified by the study by the present inventors that the proliferation or diffusion is promoted and the light output of the light emitting portion, that is, the luminance is lowered.
したがって、キャリヤが注入される電流注入型の発光部では、連続駆動させた場合に発生するジュール熱の熱エネルギーと、発光部の半導体層部分に存在する欠陥準位での発光をともなわない電子・正孔再結合に起因した熱エネルギーの融合によって、キャリヤを捕獲する欠陥準位が増殖または拡散し、輝度の低下としてあらわれる光出力の減少を生じさせ、所望の輝度が得られなくなることにより発光部に寿命が生じることとなっていた。 Therefore, in the current injection type light emitting portion into which carriers are injected, the thermal energy of Joule heat generated when continuously driven and the electrons / electrons that do not emit light at the defect level existing in the semiconductor layer portion of the light emitting portion. Due to the fusion of thermal energy due to hole recombination, defect levels that capture carriers grow or diffuse, causing a decrease in light output that appears as a decrease in luminance, and the desired luminance cannot be obtained. It was supposed to have a lifetime.
そこで、従来では、発光部の半導体層部分に生じる欠陥準位そのものの濃度を減少させることにより、発光部の寿命を確保して発光部を備えた電子装置の長寿命化を図っていた。 Therefore, conventionally, by reducing the concentration of the defect level itself generated in the semiconductor layer portion of the light emitting portion, the life of the electronic device provided with the light emitting portion is ensured by ensuring the life of the light emitting portion.
あるいは、発光部にはパルス化した駆動信号を入力して、発光部を交互にオン状態とオフ状態とすることにより断続的に発光させて発光部での発熱を抑制して発光部を長寿命化し、発光部を備えた電子装置の長寿命化を図っていた。特に、発光部を備えた電子装置では、パルス化した駆動信号の周期と、駆動信号のパルス幅の比であるデューティ比の値を小さくすることで発光部における発熱を抑制し、発光部の寿命を延ばすことが行われている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、パルス化した駆動信号で発光部を駆動させた場合でも、発光部の寿命は十分なものとはなっていなかった。すなわち、発光部において発生するジュール熱は、駆動信号のデューティ比を小さくすることによって抑制可能ではあるが、期待できる温度の抑制効果が小さく、しかも、発光部が周囲の温度よりも低い温度となることがないためである。 However, even when the light emitting unit is driven with a pulsed drive signal, the life of the light emitting unit has not been sufficient. That is, Joule heat generated in the light emitting unit can be suppressed by reducing the duty ratio of the drive signal, but the expected temperature suppressing effect is small, and the light emitting unit is at a temperature lower than the ambient temperature. This is because there is nothing.
本発明者らは、このような現状に鑑み、発光部を長寿命化させることにより発光部を備えた電子装置の長寿命化を実現させるべく研究開発を行うことにより、本発明を成すに至ったものである。 In view of such a current situation, the inventors of the present invention have made the present invention by conducting research and development in order to extend the life of an electronic device including a light emitting unit by extending the life of the light emitting unit. It is a thing.
本発明の電子装置の発光制御方法では、電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部にパルス状の駆動信号を入力して前記発光部を断続的に発光させる駆動部とを有する電子装置の発光制御方法において、電子濃度をn、正孔濃度をp、電子の熱速度をvth:n、正孔の熱速度をvth:p、前記発光部に存在する欠陥準位の電子に対する捕獲断面積をσn、前記発光部に存在する欠陥準位の正孔に対する捕獲断面積をσp、前記駆動信号のパルス幅をWとして、駆動部は、駆動信号を、デューティ比に依存させることなく、
W<1/{n・vth:n・σn・p・vth:p・σp/(n・vth:n・σn+p・vth:p・σp)}
を満たすパルス幅Wとした。
The light emission control method of the electronic device according to the present invention includes a drive unit that intermittently emits light by inputting a pulsed drive signal into the light emission unit that emits light using recombination of electrons and holes. In the light emission control method of the electronic device, the electron concentration is n, the hole concentration is p, the electron thermal velocity is v th: n , the hole thermal velocity is v th: p , and the defect level existing in the light emitting portion is determined. Assuming that the capture cross section for electrons is σ n , the capture cross section for holes at the defect level existing in the light emitting section is σ p , and the pulse width of the drive signal is W, the drive section sets the drive signal to the duty ratio Without relying on
W <1 / {n · v th: n · σ n · p · v th: p · σ p / (n · v th: n · σ n + p · v th: p · σ p )}
And the pulse width W to meet the.
さらに、請求項1記載の電子装置の発光制御方法において、駆動信号を、
n・vth:n・σn<<p・vth:p・σpの場合には、W<1/n・vth:n・σn、
n・vth:n・σn>>p・vth:p・σpの場合には、W<1/p・vth:p・σp、
としたことにも特徴を有するものである。
Furthermore, in the light emission control method of the electronic device according to
In the case of n · v th: n · σ n << p · v th: p · σ p , W <1 / n · v th: n · σ n ,
In the case of n · v th: n · σ n >> p · v th: p · σ p , W <1 / p · v th: p · σ p ,
It also has a feature.
本発明によれば、駆動信号を、デューティ比に依存させることなく、
W<1/{n・v th:n ・σ n ・p・v th:p ・σ p /(n・v th:n ・σ n +p・v th:p ・σ p )}
を満たすパルス幅Wとしたことによって、駆動信号のパルス幅と電子及び正孔の注入量を、発光部に存在する欠陥準位において電子と正孔とが再結合することにより放出される再結合エネルギーで増殖または拡散した欠陥準位に電子と正孔の両方が捕獲されて再結合が生じることのないパルス幅及び電子と正孔の注入量とすることができ、欠陥準位において電子と正孔とが再結合することを抑制できるので、電子と正孔の再結合により放出される再結合エネルギーの発生を防止できる。
According to the present invention, the drive signal does not depend on the duty ratio,
W <1 / {n · v th: n · σ n · p · v th: p · σ p / (n · v th: n · σ n + p · v th: p · σ p )}
By making the pulse width W satisfying the above, the recombination of the drive signal pulse width and the injection amount of electrons and holes is released by recombination of electrons and holes at the defect level existing in the light emitting part. can be injection amount of growth or diffused defect levels into electrons and positive both holes never been captured recombination occurs pulse width and electrons and holes in energy, electrons and positive in defect levels Since recombination with holes can be suppressed, generation of recombination energy released by recombination of electrons and holes can be prevented.
したがって、電子装置の発光部では、欠陥準位の増殖または拡散にともなう劣化の進行を抑制できるので発光部を長寿命化することができ、発光部を備えた電子装置の長寿命化を図ることができる。 Therefore, in the light emitting portion of the electronic device, since the progress of deterioration due to the proliferation or diffusion of the defect level can be suppressed, the life of the light emitting portion can be extended, and the life of the electronic device including the light emitting portion can be extended. Can do.
本発明の電子装置及び電子装置の発光制御方法では、電子装置に設けた電子と正孔の再結合を利用して発光する発光部に駆動部からパルス状の駆動信号を入力して発光部を断続的に発光させているものであり、特に、駆動信号は、デューティ比を発光部での発光を連続発光と見なせる値とする一方で、駆動信号のパルス幅と発光部への電子及び正孔の注入量を、発光部に存在する欠陥準位において電子と正孔とが再結合することにより放出される再結合エネルギーで増殖または拡散した欠陥準位に電子と正孔の両方が捕獲されて再結合が生じることのない時間及び電子と正孔の注入量として、欠陥準位における電子と正孔の再結合を抑制しているものである。 In the electronic device and the light emission control method of the electronic device of the present invention, a pulsed drive signal is input from the drive unit to the light emitting unit that emits light by utilizing recombination of electrons and holes provided in the electronic device, and the light emitting unit is installed In particular, the driving signal has a duty ratio that allows the light emission at the light emitting part to be regarded as continuous light emission, while the pulse width of the driving signal and the electrons and holes to the light emitting part. Both the electrons and holes are trapped in the defect level that is propagated or diffused by the recombination energy released by the recombination of electrons and holes in the defect level existing in the light emitting part. The time during which recombination does not occur and the amount of injection of electrons and holes suppress the recombination of electrons and holes at the defect level.
ここで、欠陥準位での電子・正孔再結合の理論を簡単に説明すると、欠陥濃度Nt[cm-3]あたりの欠陥準位の電子・正孔再結合レートUは、次式で与えられることが知られている。
U = vth:nσn vth:pσp(p・n - ni 2) /
(σp(p + niexp{(Ei-Et)/kT}) +σn(n + ni exp{(Et-Ei)/kT}))
ここで、
U :電子・正孔再結合レート [1/sec]
vth:n:電子の熱速度(=√(3kT/mn *)) [cm/sec]
vth:p:正孔の熱速度(=√(3kT/mp *)) [cm/sec]
k : ボルツマン定数 [J/K]
T :絶対温度 [K]
mn * :電子の有効質量 [kg]
mp * :正孔の有効質量 [kg]
σn :欠陥準位の電子に対する捕獲断面積 [cm2]
σp :欠陥準位の正孔に対する捕獲断面積 [cm2]
n : 電子濃度 [cm-3]
p : 正孔濃度 [cm-3]
ni :真性キャリヤ濃度 [cm-3]
Ei :真性フェルミ準位 [J]
Et :欠陥準位 [J]
Here, the theory of electron-hole recombination at the defect level will be briefly explained. The electron-hole recombination rate U at the defect level per defect concentration N t [cm −3 ] is expressed by the following equation. It is known to be given.
U = v th: n σ n v th: p σ p (p · n-n i 2 ) /
(σ p (p + n i exp {(E i -E t ) / kT}) + σ n (n + n i exp {(E t -E i ) / kT}))
here,
U: Electron / hole recombination rate [1 / sec]
v th: n : thermal velocity of electrons (= √ (3kT / m n * )) [cm / sec]
v th: p : Hole heat velocity (= √ (3kT / m p * )) [cm / sec]
k: Boltzmann constant [J / K]
T: Absolute temperature [K]
m n * : Effective mass of electrons [kg]
m p * : effective mass of holes [kg]
σ n : capture cross section for defect level electrons [cm 2 ]
σ p : Capture cross section for holes at defect level [cm 2 ]
n: electron concentration [cm -3 ]
p: Hole concentration [cm -3 ]
n i : Intrinsic carrier concentration [cm -3 ]
E i : Intrinsic Fermi level [J]
E t : Defect level [J]
上式は、発光部に電子または正孔からなるキャリヤが注入されている動作状態、すなわち発光部が所定の通電状態となっている場合では、次式のように近似される。
U≒ n・Cn p・Cp/ ( n・Cn + p・Cp)、
ここで、
Cn: 欠陥準位の電子捕獲係数(Cn=vth:n・σn) [cm3/sec]
Cp: 欠陥準位の正孔捕獲係数(Cp=vth:p・σp) [cm3/sec]
The above equation is approximated by the following equation in an operating state in which carriers including electrons or holes are injected into the light emitting portion, that is, when the light emitting portion is in a predetermined energized state.
U ≒ n ・ C n p ・ C p / (n ・ C n + p ・ C p ),
here,
C n : electron capture coefficient of defect level (C n = v th: n · σ n ) [cm 3 / sec]
C p : hole capture coefficient of defect level (C p = v th: p · σ p ) [cm 3 / sec]
通常、欠陥準位の電子に対する捕獲係数Cn、及び欠陥準位の正孔に対する捕獲係数Cpは、それぞれ異なるので、上式はさらに近似される。その場合の欠陥濃度あたりの電子・正孔再結合レートUは、
U≒n・Cn、 (nCn<< pCp) [1/sec]、
U≒p・Cp、 (nCn>> pCp) [1/sec]、
となる。これは、欠陥準位の電子・正孔再結合レートが、キャリヤ捕獲レートの遅い方で律速されることを意味している。
Usually, since the capture coefficient C n for defect level electrons and the capture coefficient C p for defect level holes are different, the above equation is further approximated. In this case, the electron-hole recombination rate U per defect concentration is
U ≒ n ・ C n , (nC n << pC p ) [1 / sec],
U ≒ p ・ C p , (nC n >> pC p ) [1 / sec],
It becomes. This means that the electron / hole recombination rate of the defect level is limited by the slower carrier capture rate.
さらにこの式を考察すると、欠陥1つにおける欠陥準位で電子と正孔を再結合させないようにするには、欠陥準位で電子と正孔が再結合するのに要する時間未満でキャリヤの注入を行えばよいこととなる。 Further considering this equation, in order to prevent recombination of electrons and holes at the defect level in one defect, carrier injection is performed in less than the time required for recombination of electrons and holes at the defect level. Will be sufficient.
ここで、欠陥1つにおける欠陥準位で電子と正孔を再結合させないようにするには、欠陥準位で電子と正孔が再結合するのに要する時間未満でキャリヤの注入を行えばよいが、仮に欠陥準位に電子と正孔のいずれか一方が拘束されていたとしても、他方の正孔または電子が欠陥準位に拘束されなければ電子と正孔の再結合が生じない。 Here, in order to prevent recombination of electrons and holes at the defect level in one defect, carriers may be injected in less than the time required for recombination of electrons and holes at the defect level. However, even if either the electron or hole is constrained to the defect level, recombination of the electron and hole does not occur unless the other hole or electron is constrained to the defect level.
したがって、再結合レートは、電子のキャリヤ濃度と欠陥準位に捕獲される電子のキャリヤ捕獲係数の積の値と、正孔のキャリヤ濃度と欠陥準位に捕獲される正孔のキャリヤ捕獲係数の積の値のうち、大きい方の積の値としても何ら問題はない。 Therefore, the recombination rate is determined by the product of the electron carrier concentration and the electron carrier capture coefficient captured by the defect level, and the hole carrier concentration and the hole carrier capture coefficient captured by the defect level. Of the product values, there is no problem with the larger product value.
すなわち、電子・正孔再結合レートUを律速するキャリヤ捕獲レートの逆数、つまり、nCn << pCpの場合には1/n・Cn[sec]、nCn >> pCpの場合には1/p・Cp[sec]未満で、キャリヤを注入すればよい。 That is, the reciprocal of the carrier capture rate that determines the electron-hole recombination rate U, that is, 1 / n · C n [sec] if nC n << pC p , nC n >> pC p Is less than 1 / p · C p [sec] and carriers may be injected.
したがって、nCn << pCpの場合にはC = Cnとするとともに、キャリヤ濃度は電子濃度とし、nCn>> pCpの場合にはC = Cpとするとともに、キャリヤ濃度は正孔濃度として、駆動信号のパルス幅をW[sec]、欠陥準位における電子・正孔再結合レートを律速している欠陥のキャリヤ捕獲係数をC[cm-3/sec]とすると、欠陥準位での電子・正孔再結合を抑止するための発光部の駆動条件は、駆動信号のパルス幅が、W < 1/nC = 1/U [sec/1パルス]の条件を満たすことである。言い換えれば、駆動信号のパルス幅を欠陥準位に電子と正孔の両方が捕獲されて再結合が生じるのに要する時間よりも短くすればよいということである。 Therefore, if nC n << pC p , C = C n and the carrier concentration is the electron concentration. If nC n >> pC p , C = C p and the carrier concentration is the hole. As the concentration, if the pulse width of the driving signal is W [sec] and the carrier capture coefficient of the defect that determines the electron-hole recombination rate in the defect level is C [cm −3 / sec], the defect level The driving condition of the light emitting unit for suppressing electron-hole recombination in the case is that the pulse width of the driving signal satisfies the condition of W <1 / nC = 1 / U [sec / 1 pulse]. In other words, the pulse width of the drive signal may be shorter than the time required for both electrons and holes to be captured at the defect level and recombination to occur.
なお、W < 1/nC [sec/1パルス]における右辺の1は、駆動信号の1パルスにおけるパルス幅に相当する発光部がオン状態となっている時間において、1つの欠陥準位に捕獲されるキャリヤの数量、つまり1パルスあたりのキャリヤ捕獲量(個/1パルス)を意味している。したがって、前記条件式のWは、欠陥1つにおける欠陥準位において、電子・正孔再結合を1回も生じさせないための、駆動信号のパルス幅を与えていることとなっている。 Note that 1 on the right side of W <1 / nC [sec / 1 pulse] is captured by one defect level during the time when the light emitting portion corresponding to the pulse width of one pulse of the drive signal is in the ON state. This means the number of carriers to be transferred, that is, the amount of carriers captured per pulse (number of pulses / pulse). Therefore, the conditional expression W gives the pulse width of the drive signal so as not to cause electron-hole recombination even once in the defect level of one defect.
ここで、駆動信号の周期及び駆動信号のデューティ比を設定する場合には、駆動信号のパルス幅Wが「W<1/U」の条件を満たしていれば、周期またはデューティ比を自由に設定することができ、デューティ比の値をできるだけ大きくすることによって、発光部が発光しないオフ状態の期間を小さくして、発光部を十分な輝度で見かけ上連続発光させながら長寿命とすることができる。 Here, when setting the cycle of the drive signal and the duty ratio of the drive signal, the cycle or the duty ratio can be freely set as long as the pulse width W of the drive signal satisfies the condition of “W <1 / U”. By increasing the value of the duty ratio as much as possible, it is possible to reduce the off-state period during which the light emitting portion does not emit light and to extend the life of the light emitting portion while apparently continuously emitting light with sufficient luminance. .
すなわち、輝度を稼ぎたい場合には、駆動信号の周期を小さくして、「W<1/nC」の条件を満たしながら駆動信号のデューティ比をできるだけ大きくすることにより、所定の時間内において駆動信号がオン状態となっている時間を長くすることができることによって、高輝度とすることができる。しかも、駆動信号のパルス幅は、「W<1/nC」の条件を満たすことにより発光部を長寿命とすることができる。 In other words, when it is desired to increase the luminance, the drive signal cycle is reduced within a predetermined time by reducing the drive signal cycle and increasing the drive signal duty ratio as much as possible while satisfying the condition of “W <1 / nC”. Since it is possible to lengthen the time during which the is in the on state, high luminance can be achieved. Moreover, the pulse width of the drive signal satisfies the condition “W <1 / nC”, whereby the light emitting portion can have a long lifetime.
このように、本発明では、発光部を駆動させている駆動信号のパルス幅と、発光部への電子及び正孔の注入量、すなわち発光部に通電する電流の通電量が重要であり、そのパルス幅及び通電量を発光部の半導体層部分に内在する欠陥準位での電子・正孔再結合レートに基づいて設定することにより、欠陥の増殖を抑制して発光部の長寿命化を図っているものであり、単に駆動信号のデューティ比を小さくして長寿命化を図るものではない。なお、駆動信号のパルス幅は、発光部がオン状態となっている時間であって、説明の便宜上、以下においては「素子駆動時間」と言うこととする。 Thus, in the present invention, the pulse width of the drive signal that drives the light emitting unit and the amount of electrons and holes injected into the light emitting unit, that is, the amount of current flowing through the light emitting unit are important. By setting the pulse width and energization amount based on the electron-hole recombination rate at the defect level inherent in the semiconductor layer part of the light emitting part, the defect propagation is suppressed and the life of the light emitting part is extended. However, it does not simply reduce the duty ratio of the drive signal to extend the life. Note that the pulse width of the drive signal is a time during which the light emitting unit is in an on state, and for convenience of explanation, it will be referred to as an “element drive time” in the following.
なお、発光部の半導体層部分には、単一の欠陥準位だけが存在するのではなく、複数の欠陥準位が存在していることが多い。 Note that in the semiconductor layer portion of the light emitting portion, not only a single defect level but also a plurality of defect levels are often present.
そこで、素子駆動時間(駆動信号のパルス幅)、及び発光部への電子及び正孔の注入量を規定する駆動信号の電流値は、抑制したい欠陥準位に合わせた素子駆動時間及び電流値を設定すれば、その欠陥準位の原因となっている欠陥による素子劣化を抑制することができる。 Therefore, the device drive time (pulse width of the drive signal) and the current value of the drive signal that defines the amount of electrons and holes injected into the light emitting part are the device drive time and current value that match the defect level to be suppressed. If set, it is possible to suppress element deterioration due to a defect causing the defect level.
すなわち、たとえば、電子・正孔再結合レートが異なる欠陥種1と、欠陥種2とが存在する場合、欠陥種1の電子・正孔再結合レートn1C1と、欠陥種2の電子・正孔再結合レートn2C2のうち、抑制したい方の欠陥種の電子・正孔再結合レートに基づいて素子駆動時間及び駆動信号の電流値を設定することにより、その欠陥種による素子劣化を抑制することができる。
That is, for example, when
あるいは、より大きい値となっている電子・正孔再結合レートを選択した場合には、その電子・正孔再結合レートに対応した欠陥種だけでなく、小さい値の電子・正孔再結合レートに対応した欠陥種による素子劣化を抑制することができ、最も大きい値の電子・正孔再結合レートを選択することによって、発光素子の寿命を最も延長させることができる。 Alternatively, if a higher electron / hole recombination rate is selected, not only the defect type corresponding to the electron / hole recombination rate, but also a lower value of electron / hole recombination rate. Deterioration of the element due to the defect type corresponding to the above can be suppressed, and the lifetime of the light emitting element can be extended most by selecting the electron / hole recombination rate having the largest value.
また、発光素子に対して所要の駆動信号を出力して、発光素子の発光制御を行っている発光制御回路では、出力した駆動信号の出力時間と、出力した駆動信号における素子駆動時間及び駆動信号のデューティ比から、発光素子が発光している発光時間を逐次累計した累計時間を記憶し、この発光時間の累計時間に応じて、駆動信号のパルス幅を変更してもよい。 Further, in a light emission control circuit that performs a light emission control of a light emitting element by outputting a required drive signal to the light emitting element, an output time of the output drive signal, an element drive time and a drive signal in the output drive signal From the duty ratio, a cumulative time obtained by sequentially accumulating the light emission time during which the light emitting element emits light may be stored, and the pulse width of the drive signal may be changed according to the cumulative time of the light emission time.
すなわち、たとえば、発光時間の累計時間の値が小さい間は、欠陥の数が少ないことにより素子駆動時間を比較的長く設定しておき、発光時間の累計時間の値が大きくなって、自然劣化などの影響にもよって欠陥の数が増大するにつれて、素子駆動時間を漸次短くしてもよい。 That is, for example, while the value of the cumulative time of the light emission time is small, the element driving time is set relatively long due to the small number of defects, and the value of the cumulative time of the light emission time becomes large, which causes natural deterioration, etc. As the number of defects increases due to the influence of the above, the element driving time may be gradually shortened.
以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を具体的に説明する。図1に示すように、本実施形態の電子装置10は、電子と正孔の再結合を利用して発光する発光素子を備えた発光部20'と、この発光部20'にパルス状の駆動信号を入力して発光部20'を断続的に発光させる駆動部30とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, an
ここで、電子装置10としては何であってもよく、たとえば発光素子を備えた照明装置、表示装置などであり、照明装置としては、具体的には、所定波長の光を照射するように調整した照明具、自動車または自動二輪車若しくは自転車などのヘッドライト、サーチライト、懐中電灯、ペンライト、液晶表示装置用のバックライトなどが挙げられる。また、表示装置としては、信号機、警告灯などのように1つあるいは複数の発光ダイオードなどによって構成される装置である。
Here, the
発光部20'の発光素子は、以下においては、II−VI族化合物半導体であるセレン化亜鉛(ZnSe)系白色LED(Light Emitting Diode)、及びIII−V族化合物半導体である窒化ガリウム(GaN)系紫外LEDで実施した例を示すが、発光素子は結晶材料で構成される発光素子に限定されるものではなく、P型半導体層とN型半導体層で挟まれた量子井戸層などによる活性層を備えたいわゆるキャリヤ注入型の発光素子であればよい。
In the following, the light emitting element of the
本実施形態の発光素子であるZnSe系白色LED20は、n型ドーパントとして塩化亜鉛(ZnCl2)を用いて形成したN型半導体層21と、p型ドーパントとして窒素(N2)ガスを用いて形成したP型半導体層22とで、ZnCdSe/ZnSe多重量子井戸活性層23を挟んだPIN型ダイオードとして構成されている。
A ZnSe
N型半導体層21及びP型半導体層22は、それぞれ電極を介して駆動部30の発光制御回路に接続しており、この発光制御回路によってZnSe系白色LED20に駆動信号として所定の駆動パルス電流を入力し、ZnSe系白色LED20を断続的に発光させている。発光制御回路では、駆動パルス電流における素子駆動時間を適正に調整して出力している。
The N-
本実施形態のZnSe系白色LED20は、具体的には、導電性n型ZnSe単結晶(100)を基板として構成しており、この基板の下面にはチタン(Ti)膜及び金(Au)膜を積層させて電極を形成している。
Specifically, the ZnSe-based
単結晶ZnSe基板上には、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxiy:MBE)法によって、以下の半導体層を形成している。なお、各半導体層の形成時には、純度6ナインの亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、カドミウム(Cd)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)をクヌーセン・セルによって適宜供給し、エピタキシャル薄膜結晶を成長させている。 On the single crystal ZnSe substrate, the following semiconductor layers are formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method. In forming each semiconductor layer, zinc (Zn), magnesium (Mg), cadmium (Cd), sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) having a purity of 6 nines are appropriately supplied by a Knudsen cell. The epitaxial thin film crystal is grown.
単結晶ZnSe基板上には、n型ドーパントとして塩化亜鉛(ZnCl2)を添加しながら約1.0μmのn-ZnSeバッファ層と、約0.5μmのn-ZnMgSSeクラッド層を形成して、単結晶ZnSe基板とともにN型半導体層21を構成している。なお、n-ZnSeバッファ層における有効キャリヤ濃度は7×1017cm-3、n-ZnMgSSeクラッド層における有効キャリヤ濃度は5×1017cm-3とした。
On the single crystal ZnSe substrate, an n-ZnSe buffer layer of about 1.0 μm and an n-ZnMgSSe cladding layer of about 0.5 μm are formed while adding zinc chloride (ZnCl 2 ) as an n-type dopant. An N-
n-ZnMgSSeクラッド層の上面には、約0.03μmのi-ZnSeキャリア閉じ込め層と、約0.01μmのZnCdSe/ZnSe多重量子井戸活性層23と、約0.03μmのi-ZnSe層を順次形成し、このi-ZnSe層上にはP型半導体層22を形成している。
On the top surface of the n-ZnMgSSe cladding layer, an approximately 0.03 μm i-ZnSe carrier confinement layer, an approximately 0.01 μm ZnCdSe / ZnSe multiple quantum well
P型半導体層22は、約0.5μmのp-ZnMgSSe層と、約0.5μmのp-ZnSe層と、約40nmの多重量子井戸ZnSe/ZnTe層と、約40nmのp-ZnTeコンタクト層を順次積層させて構成しており、p-ZnTeコンタクト層の上面には金(Au)を蒸着して金属電極を形成している。p-ZnMgSSe層における有効キャリヤ濃度は3×1016cm-3、p-ZnSe層における有効キャリヤ濃度は4×1017cm-3、p-ZnTeコンタクト層における有効キャリヤ濃度は2×1019cm-3とした。
The P-
ここで、多重量子井戸ZnSe/ZnTe層は超格子電極と呼ばれ、p型ZnSe結晶に疑似オーミック電極層を形成するために設けているものであり、p-ZnSe層上に超格子電極用多重量子井戸ZnSe/ZnTe層を設けてp-ZnTeコンタクト層を設けることにより、共鳴トンネル効果によって正孔をp-ZnSe層とp-ZnTeコンタクト層との間で輸送可能としている。 Here, the multiple quantum well ZnSe / ZnTe layer is called a superlattice electrode, and is provided to form a pseudo-ohmic electrode layer on a p-type ZnSe crystal. By providing the quantum well ZnSe / ZnTe layer and the p-ZnTe contact layer, holes can be transported between the p-ZnSe layer and the p-ZnTe contact layer by the resonant tunneling effect.
このように構成したZnSe系白色LED20(以下、単に「LED素子」という。)をクライオスタットの試料ホルダに固定して、クライオスタット内を10-4Pa以下とし、LED素子を駆動パルス電流で駆動した。 The thus configured ZnSe white LED 20 (hereinafter simply referred to as “LED element”) was fixed to a cryostat sample holder, the inside of the cryostat was set to 10 −4 Pa or less, and the LED element was driven with a driving pulse current.
図2は、クライオスタット内の試料ホルダの温度を333Kとし、LED素子20に注入する駆動パルス電流の密度を20A/cm2として、加速劣化試験条件下で測定した素子駆動時間をパラメータとした素子駆動実験の結果である。
FIG. 2 shows device drive using the temperature of the sample holder in the cryostat as 333 K, the density of the drive pulse current injected into the
この素子駆動実験では、駆動パルス電流の周期を10msecとして、各駆動パルス電流の素子駆動時間(駆動パルス電流のパルス幅)を、7.5msec、5msec、1msecとしてそれぞれ計測するとともに、比較対象としてLED素子20に対して常時通電して連続動作させた場合の計測を行った。なお、図2では、駆動パルス電流における時間は、駆動パルス電流における素子駆動時間部分の累計時間である。 In this element drive experiment, the drive pulse current cycle is set to 10 msec, the element drive time of each drive pulse current (pulse width of the drive pulse current) is measured as 7.5 msec, 5 msec, and 1 msec, respectively. Measurement was performed when 20 was always energized and operated continuously. In FIG. 2, the time in the drive pulse current is the cumulative time of the element drive time portion in the drive pulse current.
LED素子20を連続動作させた場合には、半減寿命が約3時間であるのに対して、素子駆動時間を5msecとした場合には、半減寿命が約80時間となり、約25倍に改善されることがわかる。特に、素子駆動時間を5msecとした場合には、実際の素子駆動時間は約160時間となる。
When the
図3は、LED素子20の半減寿命の素子駆動時間依存性を示すグラフである。なお、グラフの縦軸の半減寿命は、連続動作に換算した値としている。このグラフから、LED素子20の寿命が駆動パルス電流における素子駆動時間(駆動パルス電流のパルス幅)に依存することは明らかである。特に、素子駆動時間が1×10-2secよりも短くなった場合には、LED素子20の半減寿命が100時間を超え、連続動作させた場合の半減寿命の約50倍に達することがわかる。
FIG. 3 is a graph showing the element driving time dependence of the half-life of the
なお、このように素子駆動時間を短くしたことが、前述した条件式:W<1/nC(sec/1パルス)を満たしていることによるものであることを説明する。 It will be explained that the fact that the element driving time is shortened in this way is due to satisfying the above-described conditional expression: W <1 / nC (sec / 1 pulse).
まず、LED素子20を連続動作させた場合における素子劣化の原因について説明する。この素子劣化は、P型半導体層22にアクセプタとして添加した窒素に起因したH0欠陥と呼ばれる複合欠陥において自由正孔の捕獲が生じ、その後、LED素子20の動作中に活性層23からP型半導体層22にオーバーフローした電子が捕獲されることによって、H0欠陥準位で電子と正孔の非発光による再結合が生じ、この再結合によって放出されたエネルギーによってH0欠陥が活性層に拡散することによって生じていることが知られている。すなわち、H0欠陥による電子と正孔の同時捕獲であるキャリヤ捕獲が素子劣化のドライビング・フォースとなっている。
First, the cause of element deterioration when the
このH0欠陥におけるキャリヤ捕獲断面積σは、ダブルキャリヤ過渡容量分光法(Double Carrier Deep Level Transient Spectroscopy: DC-DLTS)による測定によって、自由正孔に対しては10-22[cm2]、自由電子に対しては10-18[cm2]であることが知られており、LED素子20の動作中では、キャリヤの注入によって、H0欠陥準位の電子捕獲レートnCn= 108(1/sec)、正孔捕獲レートpCp = 102(1/sec)となり、nCn >> pCpであるので、H0欠陥準位における欠陥濃度あたりの電子・正孔再結合割合Uは、U≒pCp= 102(1/sec)で与えられ、正孔捕獲で律速されている。
The carrier capture cross section σ in this H0 defect is 10 -22 [cm 2 ] for free holes, measured by Double Carrier Deep Level Transient Spectroscopy (DC-DLTS). Is known to be 10 −18 [cm 2 ], and during the operation of the
したがって、このH0欠陥準位での電子と正孔の再結合を抑制するためには、素子駆動の条件式をW<1/pCpとし、素子駆動時間WをW<10-2secにすればよい。 Therefore, in order to suppress the recombination of electrons and holes at this H0 defect level, the element driving condition is set to W <1 / pC p and the element driving time W is set to W <10 −2 sec. That's fine.
この条件(W<10-2sec)は、図3に示す実験値とよく一致していることがわかる。すなわち、LED素子20は、W<10-2secの条件で駆動させると、H0欠陥準位における正孔または電子の捕獲が抑制されることによって電子と正孔の再結合を抑制でき、H0欠陥の増殖または拡散が抑制されることとなり、素子劣化を抑制して長寿命化することができる。
It can be seen that this condition (W <10 −2 sec) is in good agreement with the experimental values shown in FIG. That is, when the
図3のグラフにおける素子駆動時間が1×10-3sec < W < 1×10-6secの領域では、素子寿命が約100時間で飽和したような状態となっているのに対し、W > 1×10-6secの領域では、素子寿命のさらなる延長が見られる。これは、H0欠陥とは異なる欠陥が存在していることを示しているものである。 In the region where the element drive time in the graph of FIG. 3 is 1 × 10 −3 sec <W <1 × 10 −6 sec, the element lifetime is saturated in about 100 hours, whereas W> In the region of 1 × 10 −6 sec, the device life is further extended. This indicates that a defect different from the H0 defect exists.
H0欠陥と異なる欠陥としては、P型半導体層22において増殖する補償型のドナ性欠陥が知られている。特に、このドナ性欠陥も、欠陥準位での電子と正孔の非発光による再結合によって生じたエネルギーで増殖または拡散することが知られている。
As a defect different from the H0 defect, a compensation-type donor defect that grows in the P-
ドナ性欠陥におけるキャリヤ捕獲断面積σは、過渡容量分光法による測定によって、自由正孔に対して10-17[cm2]であることが知られており、正孔の熱速度vthが2×107[cm/sec]であるので、W<1/nCの条件式から、素子駆動時間W<10-7secが要求されることとなる。 It is known that the carrier capture cross section σ in the donor defect is 10 −17 [cm 2 ] with respect to free holes as measured by transient capacitance spectroscopy, and the hole heat velocity v th is 2 Since × 10 7 [cm / sec], the element driving time W <10 −7 sec is required from the conditional expression of W <1 / nC.
したがって、素子駆動時間Wを10-7sec未満とした場合には、ドナ性欠陥における欠陥準位での正孔または電子の捕獲を抑制できるので電子と正孔の再結合を抑制でき、ドナ性欠陥の増殖または拡散が抑制されることとなり、素子劣化を抑制して長寿命化することができ、図3のグラフに示された実験値とよく一致していることがわかる。 Therefore, when the element driving time W is less than 10 −7 sec, it is possible to suppress the capture of holes or electrons at the defect level in the donor defect, so that the recombination of electrons and holes can be suppressed, and the donor property is reduced. It can be seen that the growth or diffusion of defects is suppressed, the device deterioration can be suppressed and the lifetime can be extended, and the experimental values shown in the graph of FIG. 3 are in good agreement.
このように、図3に示されるように、LED素子20では、素子駆動時間Wを短くすればするほど長寿命化が可能であることは明らかである。
Thus, as shown in FIG. 3, it is apparent that the
特に、LED素子20に異なる欠陥種に起因した欠陥準位が存在する場合には、最も短時間でキャリヤの捕獲が生じる欠陥種、すなわち、電子・正孔再結合レートnCが最も大きい欠陥種に対して、W<1/nCから素子駆動時間Wを決定することにより、最長の素子寿命を得ることができる。
In particular, when there are defect levels due to different defect types in the
なお、LED素子20に異なる欠陥種に起因した欠陥準位が存在場合には、それぞれの欠陥種の欠陥準位に合わせた素子駆動時間Wを適宜選択することによって、抑制対象の欠陥種の欠陥準位における電子・正孔再結合を効果的に抑制でき、その欠陥種の欠陥の増殖または拡散を効果的に抑制できる。
In addition, when the defect level resulting from a different defect type exists in the
図3に示される素子寿命の測定実験の結果は、逆に利用することによって、素子劣化を律速している欠陥準位における電子・正孔再結合レートの決定に用いることができる。すなわち、図3のグラフにおいて、素子寿命が大きくステップアップしている素子駆動時間の逆数が電子・正孔再結合レートであって、H0欠陥やドナ性欠陥などにおける電子・正孔再結合レートの値となっている。 The result of the device lifetime measurement experiment shown in FIG. 3 can be used in reverse to determine the electron-hole recombination rate at the defect level that controls the device degradation. That is, in the graph of FIG. 3, the reciprocal of the element driving time when the element lifetime is greatly increased is the electron / hole recombination rate, and the electron / hole recombination rate in the H0 defect, the donor defect, etc. It is a value.
図3のグラフに示される素子駆動時間Wの短時間化による素子寿命の延長効果は、前述したように素子駆動時間Wの短時間化によって欠陥準位に電子と正孔が捕獲されて再結合することを抑制することによるものであるが、素子駆動時間Wの短時間化によって駆動パルス電流のデューティ比が小さくなったことにより、LED素子に発生するジュール熱が抑制されてLED素子の温度上昇が抑制され、長寿命化されていることも考えられる。 The effect of extending the element lifetime by shortening the element driving time W shown in the graph of FIG. 3 is that, as described above, electrons and holes are captured at the defect level by the shortening of the element driving time W and recombination is performed. This is because the duty ratio of the driving pulse current is reduced by shortening the element driving time W, thereby suppressing Joule heat generated in the LED element and increasing the temperature of the LED element. It is conceivable that the life is prolonged and the life is extended.
そこで、駆動パルス電流のデューティ比と、LED素子の温度との関連性を検証した。図4は、所定のデューティ比とした際における活性層の温度の測定結果に基づくグラフである。ここで、活性層の温度は基礎実験から見積もっており、発光スペクトルの温度によるピークシフト特性と、発光スペクトルのピークシフトのデューティ比依存性とを比較することで見積もった。 Therefore, the relationship between the duty ratio of the drive pulse current and the temperature of the LED element was verified. FIG. 4 is a graph based on the measurement result of the temperature of the active layer when the predetermined duty ratio is set. Here, the temperature of the active layer was estimated from a basic experiment, and was estimated by comparing the peak shift characteristic depending on the temperature of the emission spectrum with the duty ratio dependency of the peak shift of the emission spectrum.
図4に示すように、デューティ比を小さくした場合には、活性層の温度が低下することが確認され、特に、約344Kから約334Kに低下した。なお、この実験は、LED素子20を10-4Pa以下で温度を333Kとしたクライオスタット内に収容して行った。LED素子20に印加した駆動パルス電流は、周期を20msecで固定とし、素子駆動時間を1〜10msecとした矩形波とした。駆動パルス電流の電流密度は20A/cm2、オフセット電圧は約−10Vとし、素子駆動時間中の印加電圧は約2.5Vであった。
As shown in FIG. 4, it was confirmed that when the duty ratio was reduced, the temperature of the active layer was decreased, and in particular, decreased from about 344K to about 334K. In this experiment, the
図3のグラフが得られた実験では、デューティ比は50%としており、図4に示されるグラフから、温度の低下は5℃程度であると見積もられる。 In the experiment in which the graph of FIG. 3 was obtained, the duty ratio was 50%, and it is estimated from the graph shown in FIG. 4 that the temperature decrease is about 5 ° C.
仮に、344Kから334Kまで低下したと考えた場合、図5に示すH0欠陥に起因した素子劣化におけるLED素子20の半減寿命の1/T特性グラフによると、343Kでの素子寿命が約2時間で、334Kでの素子寿命が約10時間であることから、純粋な温度低下によるLED素子の長寿命化の効果は約5倍と見積もることができる。したがって、図3に示されるように約50倍の効果が得られるものではなく、素子寿命の延長効果が素子駆動時間の短時間化に因るものであることは明らかである。ここで、1000/344[K]≒2.9[1/K]、1000/334[K]≒3.0[1/K]である。
If it is assumed that the voltage has decreased from 344K to 334K, the device lifetime at 343K is about 2 hours according to the 1 / T characteristic graph of the half-life of the
同様に、図6に示すドナ性欠陥に起因した素子劣化におけるLED素子の半減寿命の1/T特性グラフによると、344Kでの素子寿命が約30時間で、334Kでの素子寿命が約60時間であることから、純粋な温度低下によるLED素子の長寿命化の効果は約2倍と見積もることができる。したがって、図3に示されるように約13倍の効果が得られるものではなく、素子寿命の延長効果が素子駆動時間の短時間化に因るものであることは明らかである。 Similarly, according to the 1 / T characteristic graph of the half-life of the LED element in the element deterioration caused by the donor defect shown in FIG. 6, the element life at 344K is about 30 hours and the element life at 334K is about 60 hours. Therefore, it can be estimated that the effect of extending the lifetime of the LED element due to a pure temperature drop is about twice. Therefore, as shown in FIG. 3, the effect of about 13 times is not obtained, and it is obvious that the effect of extending the device life is due to the shortening of the device driving time.
また、デューティ比を小さくしたことによって発熱が抑制され、LED素子の寿命が延長されているのであれば、デューティ比は変えずに素子駆動時間を短くしただけで図3のグラフに示されるように素子寿命に2段階のステップをともなう延長効果があらわれることは説明できない。 Further, if the heat generation is suppressed by reducing the duty ratio and the life of the LED element is extended, as shown in the graph of FIG. 3 by shortening the element driving time without changing the duty ratio. It cannot be explained that there is an extension effect with two steps in the device lifetime.
したがって、測定されたLED素子の素子寿命の延長効果は、デューティ比を小さくしたことによるLED素子の温度低下に起因した効果でないことは明らかである。 Therefore, it is clear that the effect of extending the measured lifetime of the LED element is not the effect due to the temperature decrease of the LED element due to the reduced duty ratio.
図7は、LED素子20に入力した駆動パルス電流の素子駆動時間を5msecの一定値として、デューティ比を変えてLED素子20の半減寿命を測定した結果に基づくグラフである。ここで、クライオスタット内の温度は333Kとし、LED素子20に通電させる駆動パルス電流の電流密度を20A/cm2とした。駆動パルス電流のオフセット電圧は0Vとした。
FIG. 7 is a graph based on the result of measuring the half life of the
図7に示すように、LED素子20の素子寿命がデューティ比に依存しないことは明らかであり、LED素子20を長寿命化するためには、駆動パルス電流の素子駆動時間(パルス幅)の制御のみが重要であることがわかる。
As shown in FIG. 7, it is clear that the element life of the
以下において、III−V族化合物半導体である窒化ガリウム(GaN)系紫外LEDの場合について説明する。 In the following, the case of a gallium nitride (GaN) ultraviolet LED that is a III-V group compound semiconductor will be described.
GaN系紫外LED素子は、n型ドーパントとしてモノシラン(SiH4)を供給源としたシリコン(Si)を用いて形成したN型半導体層と、p型ドーパントとしてメチルシクロペンタジエニル・マグネシウム((C5H5)2Mg)を供給源としたマグネシウム(Mg)を用いて形成したP型半導体層とで、InGaN/GaN多重量子井戸活性層を挟んだPIN型ダイオードとして構成されている。 A GaN-based ultraviolet LED element includes an N-type semiconductor layer formed using silicon (Si) with monosilane (SiH 4 ) as an n-type dopant and a methylcyclopentadienyl-magnesium ((C It is configured as a PIN diode with an InGaN / GaN multiple quantum well active layer sandwiched between a P-type semiconductor layer formed using magnesium (Mg) with 5 H 5 ) 2 Mg) as a supply source.
GaN系紫外LED20は、具体的には、単結晶サファイア基板(0001)を用いて構成しており、この基板上には、有機金属気相エピタキシー(Metal Organic Vapor Phase Epitaxiy: MOVPE)法によって、以下の半導体層を形成している。なお、各半導体層の成長には、水素をキャリヤガスとして、ガリウムを供給するための液体トリメチル・ガリウム(Ga(CH3)3)、窒素を供給するためのアンモニア(NH3)、アルミニウムを供給するためのトリメチル・アルミニウム(Al(CH3)3)、固体トリメチル・インジウム(In(CH3)3)を適宜供給し、単結晶サファイア基板上にエピタキシャル薄膜結晶を成長させている。
Specifically, the GaN-based
単結晶サファイア基板上には、n型ドーパントとしてシリコン(Si)を添加しながら約5.0μmのn-GaNバッファ層と、約0.5μmのn-AlGaNクラッド層を形成してN型半導体層を構成している。なお、n-GaNバッファ層における有効キャリヤ濃度は2×1018cm-3、n-AlGaNクラッド層における有効キャリヤ濃度は5×1017cm-3である。 On the single crystal sapphire substrate, an n-type semiconductor layer is formed by forming an n-GaN buffer layer of about 5.0 μm and an n-AlGaN cladding layer of about 0.5 μm while adding silicon (Si) as an n-type dopant. Is configured. The effective carrier concentration in the n-GaN buffer layer is 2 × 10 18 cm −3 , and the effective carrier concentration in the n-AlGaN cladding layer is 5 × 10 17 cm −3 .
n-AlGaNクラッド層の上面には、約0.03μmのi-GaNキャリア閉じ込め層と、約0.01μmのInGaN/GaN多重量子井戸活性層23と、約0.03μmのi-GaN層を順次形成し、このi-GaN層上にP型半導体層を形成している。
On the top surface of the n-AlGaN cladding layer, an approximately 0.03 μm i-GaN carrier confinement layer, an approximately 0.01 μm InGaN / GaN multiple quantum well
P型半導体層は、約0.1μmのp-AlGaN層と、約0.5μmのp-AlGaN/GaN超格子クラッド層と、約0.1μmのp-GaNコンタクト層を順次積層させて構成しており、p-GaNコンタクト層の上面にはニッケル(Ni)と金(Au)を蒸着して金属電極を形成している。p-AlGaN層における有効キャリヤ濃度は5×1017cm-3、p-AlGaN/GaN超格子クラッド層における有効キャリヤ濃度は2×1018cm-3、p-GaNコンタクト層における有効キャリヤ濃度は1×1019cm-3である。 The P-type semiconductor layer is formed by sequentially stacking a p-AlGaN layer of about 0.1 μm, a p-AlGaN / GaN superlattice cladding layer of about 0.5 μm, and a p-GaN contact layer of about 0.1 μm. In addition, nickel (Ni) and gold (Au) are vapor-deposited on the upper surface of the p-GaN contact layer to form a metal electrode. The effective carrier concentration in the p-AlGaN layer is 5 × 10 17 cm −3 , the effective carrier concentration in the p-AlGaN / GaN superlattice cladding layer is 2 × 10 18 cm −3 , and the effective carrier concentration in the p-GaN contact layer is 1 × 10 19 cm -3 .
ここで、N型半導体に金属電極を形成するために、単結晶サファイア基板にはフォトリソグラフィー技術を用いて所要のマスクを形成し、単結晶サファイア基板をn-GaNバッファ層が露出するまでエッチングし、このエッチングによって形成された開口内にチタン(Ti)と金(Au)を蒸着してオーミック電極である金属電極を形成した。 Here, in order to form a metal electrode on an N-type semiconductor, a required mask is formed on the single crystal sapphire substrate using photolithography technology, and the single crystal sapphire substrate is etched until the n-GaN buffer layer is exposed. Then, titanium (Ti) and gold (Au) were deposited in the opening formed by this etching to form a metal electrode as an ohmic electrode.
このように構成したGaN系紫外LEDをクライオスタットの試料ホルダに固定して、クライオスタット内を10-4Pa以下とし、GaN系紫外LEDを所定の素子駆動時間を有する駆動パルス電流で駆動させた。図8は、クライオスタット内の試料ホルダの温度を450Kとし、GaN系紫外LEDに通電する駆動パルス電流を75mA、電流密度を83A/cm2)とした加速劣化試験条件下におけるGaN系紫外LEDの光出力の推移グラフである。駆動パルス電流は矩形波であって、素子駆動時間(パルス幅)を50nsec、デューティ比を25%とした。図8における素子駆動時間は連続動作時間に換算した値である。 The GaN-based UV LED configured as described above was fixed to a cryostat sample holder, the inside of the cryostat was set to 10 −4 Pa or less, and the GaN-based UV LED was driven with a driving pulse current having a predetermined element driving time. FIG. 8 shows the light of the GaN-based UV LED under accelerated deterioration test conditions in which the temperature of the sample holder in the cryostat is 450 K, the drive pulse current to be applied to the GaN-based UV LED is 75 mA, and the current density is 83 A / cm 2. It is an output transition graph. The drive pulse current was a rectangular wave, the element drive time (pulse width) was 50 nsec, and the duty ratio was 25%. The element drive time in FIG. 8 is a value converted into a continuous operation time.
図8から、GaN系紫外LEDの光出力が80%まで減少するのに要した時間は、連続動作させた場合が1.7時間であるのに対して、パルス状の電流である上記の駆動パルス電流で駆動させた場合には43時間となり、約25倍となっていることがわかる。 From FIG. 8, the time required for the light output of the GaN-based ultraviolet LED to decrease to 80% is 1.7 hours in the case of continuous operation, whereas the above-mentioned driving which is a pulsed current. When driven by a pulse current, it is 43 hours, which is about 25 times.
このように、発光素子を駆動させる駆動パルス信号における素子駆動時間の短時間化による発光素子の長寿命化は、発光素子を構成している結晶材料によって限定されるものでないことは明らかである。 As described above, it is obvious that the life extension of the light emitting element by shortening the element driving time in the driving pulse signal for driving the light emitting element is not limited by the crystal material constituting the light emitting element.
したがって、ZnCdO系、ZnMgO系、ZnBeO系、ZnOTe系などのII−VI族酸化亜鉛(ZnO)系の発光素子、III−V族ガリウム砒素(GaAs)系の発光素子、アルミニウム・ガリウム・砒素(AlGaAs)系の発光素子、ガリウム・リン(GaP)系の発光素子、インジウム・リン(InP)系の発光素子、窒化アルミニウム系(AlN)の発光素子、窒化ボロン(BN)系の発光素子、InAs系の発光素子、GaAsP系の発光素子、InGaAsP系の発光素子、InGaP系の発光素子、InN系の発光素子、InGaN系の発光素子、AlGaN系の発光素子、InAlGaN系の発光素子、GaInNAs系の発光素子などに対しても同様の効果が期待でき、電子と正孔の再結合を利用したキャリヤ注入型の半導体発光素子、LEDやレーザ・ダイオードなどの長寿命化を可能とすることができる。 Therefore, ZnCdO-based, ZnMgO-based, ZnBeO-based, ZnOTe-based II-VI group zinc oxide (ZnO) -based light-emitting devices, III-V group gallium arsenide (GaAs) -based light-emitting devices, aluminum / gallium / arsenic (AlGaAs) ) -Based light-emitting devices, gallium-phosphorus (GaP) -based light-emitting devices, indium-phosphorus (InP) -based light-emitting devices, aluminum nitride-based (AlN) light-emitting devices, boron nitride (BN) -based light-emitting devices, InAs-based devices Light emitting element, GaAsP light emitting element, InGaAsP light emitting element, InGaP light emitting element, InN light emitting element, InGaN light emitting element, AlGaN light emitting element, InAlGaN light emitting element, GaInNAs light emitting element The same effect can be expected for an element and the like, and it is possible to extend the life of a carrier injection type semiconductor light emitting element utilizing recombination of electrons and holes, an LED, a laser diode, and the like.
特に、電子と正孔の再結合を利用して発光する発光素子とは、半導体材料で構成される発光素子に限定されるものではなく、有機エレクトロルミネセンス、無機エレクトロニクス材料、蛍光体などのように、材料中に存在する欠陥準位での電子と正孔の再結合に起因して生じる劣化によって光出力が減少する光出力装置を含み、このような光出力装置においても、駆動パルス信号における素子駆動時間の短時間化、及び駆動パルス信号における電流値の調整によって寿命の延長効果が期待できる。 In particular, a light-emitting element that emits light by utilizing recombination of electrons and holes is not limited to a light-emitting element formed of a semiconductor material, and may be an organic electroluminescence, an inorganic electronic material, a phosphor, or the like. Including an optical output device in which the optical output decreases due to degradation caused by recombination of electrons and holes at the defect level present in the material. The effect of extending the lifetime can be expected by shortening the element driving time and adjusting the current value in the driving pulse signal.
すなわち、例えば、有機エレクトロルミネセンス素子を駆動させた際に生じる輝度の低下、つまり素子の劣化は、薄膜中の酸素や水などが核となって欠陥が増殖することによって進行することが知られているが、この欠陥増殖も、欠陥準位において電子と正孔とが再結合することにより放出される再結合エネルギーによって進行するため、駆動パルス信号における素子駆動時間の短時間化、及び駆動パルス信号における電流値の調整によって寿命の延長効果が期待できる。 That is, for example, it is known that the decrease in luminance that occurs when an organic electroluminescent element is driven, that is, the deterioration of the element proceeds by the growth of defects with oxygen or water in the thin film serving as a nucleus. However, this defect growth also proceeds by the recombination energy released by recombination of electrons and holes at the defect level, so that the device drive time in the drive pulse signal is shortened, and the drive pulse The life extension effect can be expected by adjusting the current value in the signal.
同様に、電子と正孔の再結合を利用する蛍光体、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)、銀・アルミニウム添加硫化亜鉛(ZnS:Ag,Al)、銅・アルミニウム添加硫化亜鉛(ZnS:Cu,Al)、ユーロピウム添加硫化イットリウム酸素(Y2O2S:Eu)、亜鉛とケイ素の酸化物(Zn2SiO4)、窒化カルシウム・アルミニウム・ケイ素(CaAlSiN3)などにおいても、それらの輝度低下は蛍光体中における欠陥の増殖に起因するものであって、この欠陥増殖も欠陥準位における電子と正孔の再結合により放出される再結合エネルギーによって進行するため、駆動パルス信号における素子駆動時間の短時間化、及び駆動パルス信号における電流値の調整によって寿命の延長効果が期待できる。 Similarly, phosphors using electron-hole recombination, such as yttrium, aluminum, garnet (YAG), silver / aluminum-doped zinc sulfide (ZnS: Ag, Al), copper / aluminum-doped zinc sulfide (ZnS: Cu) , Al), europium-doped yttrium oxygen (Y 2 O 2 S: Eu), zinc and silicon oxides (Zn 2 SiO 4 ), calcium nitride / aluminum / silicon (CaAlSiN 3 ), etc. Is caused by the growth of defects in the phosphor, and this defect growth also proceeds by the recombination energy released by the recombination of electrons and holes in the defect level. The effect of extending the life can be expected by shortening the time and adjusting the current value in the drive pulse signal.
上述した実施形態では、駆動パルス電流を矩形波としているが、矩形波に限定されるものではなく、三角波や正弦波、あるいは所定形状の波形などであってもよく、また、必ずしも周期的なパルス波である必要はなく、素子駆動時間Wが、電子・正孔再結合レートnCの逆数の値未満、すなわち、W<1/nCとなっていればよい。 In the above-described embodiment, the driving pulse current is a rectangular wave, but is not limited to a rectangular wave, and may be a triangular wave, a sine wave, a waveform of a predetermined shape, or the like, and is not necessarily a periodic pulse. There is no need to be a wave, and the element driving time W only needs to be less than the reciprocal value of the electron / hole recombination rate nC, that is, W <1 / nC.
また、駆動パルス電流の各素子駆動時間は、常に「1/nC」よりも短くなっている必要はなく、必要とされる輝度の条件を満たすために「1/nC」よりも長い素子駆動時間となることがあってもよく、所定間隔で素子駆動時間を「1/nC」よりも短くしてもよい。 In addition, each element driving time of the driving pulse current does not always need to be shorter than “1 / nC”, and an element driving time longer than “1 / nC” in order to satisfy a required luminance condition. The element drive time may be shorter than “1 / nC” at predetermined intervals.
駆動パルス電流の周期及びデューティ比の調整は駆動部の発光制御回路で行っており、必要に応じて駆動パルス電流の波形を適宜切替えながら発光部に入力してもよい。 Adjustment of the period and duty ratio of the drive pulse current is performed by the light emission control circuit of the drive unit, and the drive pulse current may be input to the light emission unit while switching the waveform as necessary.
特に、発光部に設けた発光素子では、前述した欠陥準位での電子・正孔再結合による欠陥の増殖または拡散が生じるだけでなく、宇宙線などによって欠陥が自然発生する場合があり、経時的な劣化が必ず生じるため、駆動部の発光制御回路では、発光素子の動作時間の累計を計測して、この累計の動作時間に基づいて素子駆動時間を調整した駆動パルス電流を発光素子に通電してもよい。 In particular, in the light-emitting element provided in the light-emitting portion, not only the above-described defect multiplication or diffusion due to electron-hole recombination at the defect level occurs, but also defects may naturally occur due to cosmic rays, etc. Therefore, the light emission control circuit of the drive unit measures the total operating time of the light emitting element, and supplies the light emitting element with a drive pulse current that adjusts the element driving time based on this total operating time. May be.
10 電子装置
20' 発光部
20 ZnSe系白色LED
21 N型半導体層
22 P型半導体層
23 ZnCdSe/ZnSe多重量子井戸活性層
30 駆動部
10 Electronic equipment
20 'Light emitting part
20 ZnSe white LED
21 N-type semiconductor layer
22 P-type semiconductor layer
23 ZnCdSe / ZnSe multiple quantum well active layer
30 Drive unit
Claims (2)
電子濃度をn、正孔濃度をp、電子の熱速度をvth:n、正孔の熱速度をvth:p、前記発光部に存在する欠陥準位の電子に対する捕獲断面積をσn、前記発光部に存在する欠陥準位の正孔に対する捕獲断面積をσp、前記駆動信号のパルス幅をWとして、
前記駆動部は、前記駆動信号を、デューティ比に依存させることなく、
W<1/{n・vth:n・σn・p・vth:p・σp/(n・vth:n・σn+p・vth:p・σp)}
を満たすパルス幅Wとしたことを特徴とする電子装置の発光制御方法。 In a light emission control method of an electronic device having a driving unit that intermittently emits light by inputting a pulsed driving signal into a light emitting unit that emits light using recombination of electrons and holes,
The electron density is n, the hole density is p, the electron thermal velocity is v th: n , the hole thermal velocity is v th: p , and the capture cross section for electrons at the defect level existing in the light emitting part is σ n , Σ p is the capture cross-sectional area for holes in the defect level existing in the light emitting part, W is the pulse width of the drive signal,
The drive unit, without depending on the duty ratio, the drive signal,
W <1 / {n · v th: n · σ n · p · v th: p · σ p / (n · v th: n · σ n + p · v th: p · σ p )}
A light emission control method for an electronic device , wherein the pulse width W satisfies the following.
n・vth:n・σn<<p・vth:p・σpの場合には、W<1/n・vth:n・σnとし、
n・vth:n・σn>>p・vth:p・σpの場合には、W<1/p・vth:p・σpと
したことを特徴とする請求項1記載の電子装置の発光制御方法。 The drive signal is
In the case of n · v th: n · σ n << p · v th: p · σ p , W <1 / n · v th: n · σ n
2. The case of n · v th: n · σ n >> p · v th: p · σ p , wherein W <1 / p · v th: p · σ p . A light emission control method for an electronic device.
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